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《大连理工大学》 2017年
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客机飞行动态条件下保温层内水分积聚过程研究

陈磊  
【摘要】:多孔保温材料因其良好的保温隔热性能被广泛应用,而环境参数的改变将使水分因相变积聚于孔隙。由此势必诱发多孔材料的腐蚀、保温隔音性能减弱及增重等负面效应。水分在孔隙中的积聚过程大多十分缓慢,危害不易察觉。而在客机运行过程中,其所覆盖的保温材料始终处于急剧温变的低压环境,该条件下水分在保温材料中的传递及相变规律与常规条件存在较大差异。因此,水分在客机保温材料中的流动特性、温度分布及相变规律、孔隙中的水分积聚的量化研究将具有十分重要的理论意义与实用价值。基于上述研究背景,本文以客机多孔保温材料为研究对象,采用体积平均假设及热力学平衡理论、引入多孔介质热湿耦合模型,将Darcy扩展模型与Boussinesq模型相结合构建动量守恒方程,在自然对流条件下对急剧温变环境中多孔保温材料内水蒸气的迁移过程进行求解,描述其非线性的流动特征,实现水蒸气、液态水及固态冰三种相态间相变过程。而后,以低温含冰多孔材料(发泡聚氨酯)作为实验材料,置于密闭环境进行常压自然干燥实验,验证了模型在大温差工况下对水分脱湿过程预测的准确性;通过干燥发泡聚氨酯在饱和空气中变温加湿实验,验证模型在急剧温变加湿过程中的适用性。借助与客机真实结构类似的等比例缩小实验台,完成客机运行工况的实验,并采集环境温湿度变化逐时值,为数学模型提供边界条件,通过水分的最终残存量与数学模型进行对比,对模型在低压的极限工况下的适用性、准确进行评估。针对舱内压力低于常压(1atm)客机运行条件,分别定性和定量地分析低压条件对水分传递的影响。运用所建数学模型分别预测出客机不同飞行高度、客舱相对湿度、机场温度和相对湿度以及巡航时间11种运行工况下,保温材料中不同水组分的积聚规律,确定水分积聚的关键性影响因素。在现有客机外壁结构的基础上,通过在保温材料与衬层间加入风道的改进设想,将水分迁移的自然对流形式升级为强制对流,较好地实现了保温材料的干燥效果。研究结果表明,在常压工况下,大温差自然干燥过程中,数学模型所计算的脱湿率与实验值具有较好的一致性,温度及水分在多孔材料中所呈现的非线性分布主要体现在保温材料与环境间存在较大温差的实验初始阶段。在变温加湿过程中,对于边界温湿度条件急剧变化的工况,水分随时间增长率的预测值与实验数据吻合较好。通过低压条件(0.8atm)对数学模型中主要参数影响的定性及定量分析,并结合模拟结果可知,低压工况(0.8~1atm)弱化了水蒸气的流动,增强了扩散效应,从而降低了水分的积聚量(相比常压工况减少15%),水分各相态的变化趋势仍与常压工况下相同。对客机不同运行工况的模拟结果表明,巡航高度(巡航时外壁面温度)以及巡航时舱内相对湿度是影响水分积聚的两个关键性参数,巡航高度愈高、巡航时舱内相对湿度(10~30%)愈高,最终存于多孔保温材料孔隙中的水分愈多。依据不同工况下水分随时间的变化曲线可知,水分积聚过程主要发生在客机巡航阶段。而地面相对湿度的影响几乎可以忽略。基于客机外壁结构改进方案的数值模拟可知,加入风道后产生的强制对流使其脱湿效果达70-90%以上,再综合考虑客机空调系统供回Δ方式和近壳体侧保温材料布置方式,该改进设想是可行的。
【学位授予单位】:大连理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:V245.3

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